通过能量调节的间断脉冲电弧焊接，并辅以铜层作为中间介质，在TC4合金与不锈钢异种接头中实现接头方式的连接以及IMC（金属间化合物）特性的调制

《Journal of Materials Research and Technology》：Joining modes and IMC characteristics modulation in TC4/stainless steel dissimilar joints via energy-regulated interrupted pulsed arc welding with Cu interlayer assistance

本研究采用Cu中间层和能量调控的脉冲间隔弧焊工艺，实现了TC4钛合金与304不锈钢异种接头的三种模式：钎焊、钎焊-焊接和全熔焊接头。结果表明，钎焊接头强度最高（110.05 MPa），全熔焊接头最低（52.98 MPa），焊接参数通过调控熔融状态和界面反应影响接头性能。

　　在现代制造业的快速发展背景下，钛合金与不锈钢之间的异种金属焊接技术受到了广泛关注。这种焊接方式可以有效结合钛合金的优异性能（如高强度、低密度、良好的耐腐蚀性）和不锈钢的高焊接性及成本优势，从而满足工业对轻量化、高强度以及耐腐蚀材料的多重需求。然而，钛与不锈钢直接焊接时，常常因形成脆性金属间化合物（IMC）而影响接头的力学性能和可靠性。为此，研究人员尝试通过引入中间层（interlayer）来调控焊接过程中的金属间反应，从而优化接头性能。本文探讨了一种基于能量调控的间断脉冲电弧焊（IPAW）技术，并结合铜（Cu）中间层，以实现钛合金（TC4）与304不锈钢（304SS）之间不同焊接模式的形成，进而影响接头的强度与稳定性。

在研究中，通过精确控制焊接参数，如脉冲电流、脉冲时间、中断时间及焊接速度，实现了三种不同的焊接模式：钎焊（brazing）、焊-钎焊（welding-brazing）以及熔焊（fusion）。这些模式对应了不同金属间化合物的形成状态以及金属的熔化程度。钎焊模式下，钛合金与铜层之间的界面形成了约60 μm厚的Ti-Cu IMC层，而由于钛与铁之间的原子混合被有效抑制，该模式下的接头表现出最高的剪切强度，约为110.05 MPa。相比之下，熔焊模式下，由于钛与铁的剧烈反应，形成了如TiFe?等脆性相，从而导致接头的剪切强度显著下降，仅为52.98 MPa。焊-钎焊模式则表现出一种双模态微观结构，其上部区域由Fe（s,s）和Cu（s,s）组成，而下部区域则含有约64 μm厚的Ti-Cu IMC层，剪切强度介于两者之间，约为77.68 MPa。

通过分析焊接参数对IMC层厚度及元素扩散距离的影响，可以进一步理解不同焊接模式对力学性能的具体影响。例如，增加脉冲时间或减小中断时间会促使焊接模式从钎焊逐渐过渡到焊-钎焊，最终形成熔焊。剪切强度随着热输入的增加呈现出先升后降的趋势，这与IMC层的演化以及脆性相的形成密切相关。此外，焊接速度的降低也会影响焊接模式的演变，进而改变接头的力学特性。

在微观结构方面，研究通过光学显微镜、扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）以及电子背散射衍射（EBSD）等手段，对三种焊接模式的界面结构进行了详细表征。结果显示，钎焊模式下，Cu层与TC4界面的IMC层主要由Ti-Cu二元相组成，包括Ti?Cu、TiCu、Ti?Cu?和TiCu?等，这些相的形成抑制了钛与铁之间的直接反应，从而提高了接头的强度。焊-钎焊模式中，由于热输入的增加，304SS和Cu层的部分区域熔化，形成了Fe（s,s）和Cu（s,s）的共存结构，同时在TC4/Cu界面仍存在IMC层，但其厚度和组成有所变化。而熔焊模式下，由于两种基材完全熔化，形成了Ti-Fe和Ti-Cu的混合相，其中TiFe?相的出现显著降低了接头的韧性。

剪切强度的差异主要源于不同焊接模式下金属间化合物的组成与分布。钎焊模式因抑制了钛与铁的混合，减少了脆性相的形成，从而获得了最佳的剪切性能。然而，焊-钎焊模式虽然在IMC层厚度和硬度方面有所提升，但因Fe元素的微量掺杂，导致IMC层的脆性增加，最终使得剪切强度有所下降。而熔焊模式由于热输入过高，不仅导致了TiFe?等脆性相的大量形成，还引发了严重的接头开裂现象，进一步降低了其力学性能。

通过实验分析，研究还发现焊接参数对IMC层厚度及元素扩散距离具有显著影响。例如，当脉冲时间增加时，IMC层厚度随之增大，同时Fe元素的扩散距离也有所扩展，这表明热输入的调控在形成不同焊接模式中起到了关键作用。此外，焊接速度的降低不仅增加了热输入，还促使Fe元素的扩散，从而改变了IMC层的组成与结构。这种对焊接参数的精细控制使得研究人员能够有效调控接头的性能，进而实现对钛合金与不锈钢异种金属焊接的优化。

总体而言，本文的研究为钛合金与不锈钢的异种焊接提供了新的思路和方法。通过引入铜中间层，并结合能量调控的间断脉冲电弧焊技术，研究人员成功实现了三种不同的焊接模式，并对其形成机制、IMC层的演变以及对力学性能的影响进行了深入分析。这些发现不仅有助于理解钛-钢异种焊接的微观机制，也为实际工程应用中提升接头性能提供了理论支持和技术参考。未来，随着对焊接过程的进一步优化，以及对中间层材料的深入研究，有望开发出更加高效、可靠的钛-钢异种焊接技术，以满足现代制造业对高性能复合材料的迫切需求。